Sensor de Tensão

Para garantir um correto funcionamento do sistema implementado, é de extrema importância efetuar a leitura de valores de tensão em pontos específicos do conversor desenvolvido, proporcionando desta forma uma elevada eficiência. De acordo com a topologia do conversor adotada para a realização desta dissertação, é indispensável efetuar a leitura da tensão no barramento CC (VCC) e a das baterias utilizadas (Vbat1 e Vbat2).

Sendo o sistema projetado para atingir potências de 3,6 kW, torna-se necessário a aquisição de elementos capazes de efetuar a leitura de tensões na ordem das centenas de volts e permitir a sua leitura

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através do ADC interno do DSP. Para garantir a leitura de grandes valores de tensão sem danificar o microcontrolador, o sensor escolhido deve garantir o isolamento galvânico. O isolamento galvânico é um parâmetro fulcral na escolha do sensor dada a grande diferença entre a tensão do andar de potência e o andar de controlo.

A escolha do sensor, depois de verificado o material presente no laboratório GEPE, recaiu sobre o sensor de tensão de efeito Hall modelo CYHVS5-25A fabricado pela ChenYang Technologies GmBH&Co KG [130]. Este sensor é capaz de medir tensões em CA e CC com uma elevada precisão e linearidade de forma isolada e com leitura máxima de 2000 V de pico, com uma precisão de 0.8%. O isolamento galvânico máximo garantido pelo sensor é de 2500 V com uma duração máxima de minuto e meio. A alimentação do sensor é de ±15 V. Na Figura 5.4 pode observar-se o sensor de tensão escolhido.

Figura 5.4 – Sensor de tensão de efeito Hall da ChenYang TechnologiesGmBH&Co KG modelo CYHVS5-25A.

De modo a efetuar uma correta leitura e aquisição dos valores de tensão do barramento CC e das baterias, o sensor necessita de duas resistências de medida em série do lado primário (R1 e R2), sendo que devem ligar-se aos terminais da tensão que se pretende medir. O lado primário do sensor possui uma corrente nominal de 5 mA RMS, corrente esta que não deve ser ultrapassada tendo em consideração a seleção das resistências a utilizar. A utilização de duas resistências de medida com metade do valor da resistência total consiste em diminuir a potência dissipada nas mesmas, como a equação (5.1) demonstra.

𝑃 = 𝑅_𝑀𝑖 𝐼_𝑖𝑛^{2 (5.1)}

Como já referido, que a implementação e validação dos algoritmos de controlo seja possível, é imprescindível o uso de dois sensores de tensão, sendo necessário o dimensionamento das resistências de medida do lado primário e secundário. Definindo uma tensão máxima de 300 V para o barramento da bateria e de 400 V para o barramento CC, procedeu-se então ao cálculo das resistências a utilizar no lado primário. De acordo com a equação (5.2), o valor de RMi será responsável por fornecer a tensão

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máxima medida pelo sensor de tensão, valor este que foi ligeiramente aumentado com o objetivo de não saturar os canais de ADC ao valor máximo de tensão suportados.

𝑉_𝑝𝑚 = 𝑅_𝑀𝑖 𝑖_𝑖𝑛 ^(5.2)

Possuindo o sensor uma razão de 5000:1000, a corrente nominal presente no lado secundário é de 25 mA RMS, além que a saída do sensor é obtida em corrente, onde é necessária uma resistência do lado secundário para se obter um sinal de tensão, como se pode observar na Figura 5.5. Segundo o datasheet do sensor, o fabricante recomenda que o valor de RM0 se encontre entre os 100 Ω e 350 Ω.

De acordo com a equação (5.3) obtém-se então o valor de RM0, sendo adicionada uma resistência auxiliar (R3), de modo que o valor total da resistência de saída esteja centrado na gama pretendida.

𝑅_𝑀0=𝑉_{𝐴𝐷𝐶_𝑀𝐴𝑋} 𝑖_𝑜𝑢𝑡

(5.3)

Figura 5.5 – Esquema elétrico do sensor de tensão modelo CYHVS5-25A.

Tendo em conta os valores de tensão que se pretendem medir, o valor máximo de tensão suportado pelo ADC do DSP (VADC_MAX)e as equações acima mencionadas, encontram-se então apresentados na Tabela 5.1 os valores atribuídos às resistências de medida utilizadas no lado primário e secundário.

Tabela 5.1 – Valores das resistências associadas ao sensor de tensão modelo CYHVS5-25A.

VMax(V) Ri(kΩ) RM (Ω)

Barramento CC ⁴⁰⁰ 94 (47 + 47) 150

Baterias ³⁰⁰ 54 (57 + 27) 110

Após ser efetuado o dimensionamento das resistências a utilizar no sensor de tensão, é necessário calibrar os sensores presentes na placa desenvolvida. Este processo tem como foco dotar o sinal adquirido pelo DSP através dos canais de ADC da maior linearidade possível, para posteriormente efetuar

R3

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a sua conversão para os valores de tensão reais. Tal processo é de extrema importância tendo em consideração que a aquisição de valores pelo sensor de tensão é dependente da temperatura a que os mesmos estão sujeitos, assim como a imprecisão de leitura na casa dos ±0.8%, segundo o datasheet do mesmo.

Para chegar ao resultado final da calibração dos sensores, foram então aplicados, por ordem crescente, vários valores de tensão aos terminais dos sensores, verificando ao mesmo tempo o valor adquirido pelo ADC. Os valores obtidos foram registados numa tabela em excel e com recurso a uma técnica de linearização obteve-se então a equação que será responsável por transformar os valores lidos pelo ADC nos valores reais de tensão lidos pelos sensores. Na Figura 5.6, é possível observar o gráfico obtido e a equação resultante correspondentes à calibração do sensor presente no barramento CC.

Figura 5.6 – Linearidade obtida entre a variação da tensão aplicada ao sensor de tensão modelo CYHVS5-25A do barramento Vcc e o valor lido pelo ADC interno do DSP.